第二章核酸的結(jié)構(gòu)與功能

（Nucleicacid）生命體中兩種關(guān)鍵大分子DNA蛋白質(zhì)？內(nèi)容綱要核酸的種類與分子組成

DNA的一級(jí)結(jié)構(gòu)、二級(jí)結(jié)構(gòu)及組裝

RNA的種類、結(jié)構(gòu)與功能核酸的理化性質(zhì)核酸具有催化活性真核生物基因組的特點(diǎn)人類基因組計(jì)劃一、核酸的發(fā)現(xiàn)和研究工作進(jìn)展1868年Fridrich

Miescher從膿細(xì)胞中提取“核素”1944年

Avery等人證實(shí)DNA是遺傳物質(zhì)1953年

Watson和Crick發(fā)現(xiàn)DNA的雙螺旋結(jié)構(gòu)1968年Nirenberg發(fā)現(xiàn)遺傳密碼1975年Temin和Baltimore發(fā)現(xiàn)逆轉(zhuǎn)錄酶1981年Gilbert和Sanger建立DNA測序方法1985年Mullis發(fā)明PCR技術(shù)1990年美國啟動(dòng)人類基因組計(jì)劃(HGP)

1994年中國人類基因組計(jì)劃啟動(dòng)2001年美、英等國完成人類基因組計(jì)劃基本框架二、核酸的種類、分布及功能90%以上分布于細(xì)胞核，其余分布于核外如線粒體，葉綠體，質(zhì)粒等。功能：遺傳信息的貯存和攜帶者分布于胞核、胞液。(deoxyribonucleicacid)(ribonucleicacid)脫氧核糖核酸：DNA核糖核酸：RNA參與遺傳信息的表達(dá)的各過程。某些病毒RNA也可作為遺傳信息的載體。三、核酸的構(gòu)成：單核苷酸一、核苷酸的組成

磷酸、戊糖和堿基第一節(jié)

核酸的基本組成單位—核苷酸嘌呤(purine)腺嘌呤(adenine,A)鳥嘌呤(guanine,G)1.堿基嘧啶(pyrimidine)胞嘧啶(cytosine,C)尿嘧啶(uracil,U)胸腺嘧啶(thymine,T)腺嘌呤(A)鳥嘌呤(G)胞嘧啶(C)胸腺嘧啶(T)DNA尿嘧啶(U)RNA構(gòu)成DNA的堿基：構(gòu)成RNA的堿基：腺嘌呤(A)鳥嘌呤(G)胞嘧啶(C)核酸中的部分稀有堿基DNARNA嘌呤7-甲基鳥嘌呤（m7G）N6-甲基腺嘌呤（m6A）N6-甲基腺嘌呤（m6A）N6,N6-二甲基腺嘌呤7-甲基鳥嘌呤嘧啶5-甲基胞嘧啶（m5C）5-甲基胞嘧啶（m5C）5-羥甲基胞嘧啶（hm5C）5-羥甲基胞嘧啶（hm5C）圖1-3堿基的互變異構(gòu)嘌呤和嘧啶堿基都是含氮雜環(huán)化合物，分子中的酮基或氨基均位于雜環(huán)上氮原子的鄰位，受介質(zhì)中pH的影響，會(huì)發(fā)生酮式-烯醇式互變異構(gòu)，或氨基-亞氨基互變異構(gòu)堿基的紫外吸收性質(zhì)嘌呤環(huán)和嘧啶環(huán)中含有共軛雙鍵，因而都有吸收紫外光的性質(zhì)，吸收高峰在波長260nm左右。在研究核酸、核苷酸、核苷及堿基時(shí)，可以此對核酸進(jìn)行定性及定量分析。另外，紫外線照射可引起DNA突變，也是由于存在于DNA中的核苷酸吸收紫外光所造成的。2.戊糖（構(gòu)成RNA）1′2′3′4′5′核糖(ribose)（構(gòu)成DNA）脫氧核糖(deoxyribose)構(gòu)成核苷酸的戊糖有兩種，DNA分子中含有β-D-2脫氧核糖，RNA分子中的戊糖為β-D-核糖。核苷酸：AMP,GMP,UMP,CMP脫氧核苷酸：dAMP,dGMP,dTMP,dCMP

3.核苷酸(ribonucleotide)的組成核苷（脫氧核苷）和磷酸以磷酸酯鍵連接形成核苷酸（脫氧核苷酸）。

體內(nèi)重要的游離核苷酸及其衍生物含核苷酸的生物活性物質(zhì)：

NAD+、NADP+、CoA-SH、FAD

等都含有

AMP

多磷酸核苷酸：NMP，NDP，NTP環(huán)化核苷酸:cAMP，cGMPAMPADPATPcAMPNADP+NAD+圖1-6不同類型的核苷酸二、核苷酸的連接方式DNA和RNA都是通過核苷酸間的3',5'-磷酸二酯鍵連接而成，即前一個(gè)核苷酸的C3'-OH與下一核苷酸的C5'位磷酸之間脫水形成酯鍵。核苷酸的連接具有嚴(yán)格的方向性。通過3',5'-磷酸二酯鍵連接形成的核酸是一個(gè)沒有分支的線性分子，它們的兩個(gè)末端分別為5'末端（游離磷酸基）和3'末端（游離羥基），在書寫時(shí)，方向應(yīng)該從5'→3'。圖1-7核苷酸的連接方式面對DNA雙螺旋模型的美國生物學(xué)家沃森（左）和英國生物物理學(xué)家克里克（右）。第二節(jié)DNA的結(jié)構(gòu)DNA化學(xué)組成P脫氧核糖含氮堿基脫氧核苷酸的組成成分

DNA全稱叫脫氧核糖核酸，是主要的遺傳物質(zhì)。它的基本組成單位是脫氧核苷酸。鳥嘌呤（G）腺嘌呤（A）胞嘧啶（C）胸腺嘧啶（T）含氮堿基含氮堿基的種類DNA化學(xué)組成DNA化學(xué)組成脫氧核苷酸的種類脫氧核糖含氮堿基P思考：脫氧核苷酸應(yīng)該有幾種？4種正確答案腺嘌呤脫氧核苷酸脫氧核苷酸的種類鳥嘌呤脫氧核苷酸胞嘧啶脫氧核苷酸胸腺嘧啶脫氧核苷酸ATCGOswaldAvery（1877-1955）R型細(xì)菌：無毒型肺炎球菌S型細(xì)菌：有毒型肺炎球菌肺炎球菌轉(zhuǎn)化實(shí)驗(yàn)DNA是遺傳的物質(zhì)基礎(chǔ)一、DNA的一級(jí)結(jié)構(gòu)組成DNA分子的脫氧核糖核苷酸主要有四種，即脫氧腺苷酸（dAMP）、脫氧鳥苷酸（dGMP）、脫氧胞苷酸（dCMP）和脫氧胸苷酸（dTMP）。DNA分子的一級(jí)結(jié)構(gòu)就是這四種脫氧核糖核苷酸的排列順序，或者四種堿基的順序。DNA的一級(jí)結(jié)構(gòu)：核苷酸的排列序列AAATTTGGGGCCCATC磷酸脫氧核糖含氮堿基堿基對另一堿基對嘌呤和嘧啶之間通過氫鍵配對，形成堿基對，且A只和T配對、C只和G配對，這種堿基之間的一一對應(yīng)的關(guān)系就叫做堿基互補(bǔ)配對原則。ATGC氫鍵AAATTTGGGGCCCATC你注意到了嗎？兩條長鏈上的脫氧核糖與磷酸交替排列的順序是穩(wěn)定不變的。長鏈中的堿基對的排列順序是千變?nèi)f化的。你注意到了嗎？兩條長鏈上的脫氧核糖與磷酸交替排列的順序是穩(wěn)定不變的。長鏈中的堿基對的排列順序是千變?nèi)f化的。

DNA分子的特異性就體現(xiàn)在特定的堿基（對）排列順序中。DNA的結(jié)構(gòu)模式圖從圖中可見DNA具有規(guī)則的雙螺旋空間結(jié)構(gòu)放大二、DNA的二級(jí)結(jié)構(gòu)ErwinChargaff（1905－1995）Chargaff’srule：A%＝T%G%＝C%DNA分子X射線衍射照片RosalindFranklin

JamesWatson&FrancisCrick2.DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)模型要點(diǎn)（Watson,Crick,1953）①右手雙螺旋。相鄰堿基平面距離0.34nm，每10個(gè)堿基上升一個(gè)螺旋，34nm。螺旋直徑2nm。目錄目錄②脫氧核糖-磷酸為骨架，堿基垂直螺旋軸居雙螺旋內(nèi)側(cè)，與對側(cè)堿基形成氫鍵配對，互補(bǔ)配對形式：A=T;G

C。③氫鍵維持雙鏈橫向穩(wěn)定性，堿基堆積力維持雙鏈縱向穩(wěn)定性。④雙螺旋的極性：一條鏈為5’-3’，另一條鏈為3’-5’堿基互補(bǔ)配對：A=T;G

CTAGC堿基互補(bǔ)配對規(guī)律是DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)的精髄！！?。?！DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)示意圖（二）DNA二級(jí)結(jié)構(gòu)的多樣性上述DNA的二級(jí)結(jié)構(gòu)特征是以B-DNA為模型。B-DNA是DNA分子在生理?xiàng)l件下最穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)，如果改變?nèi)芤旱碾x子強(qiáng)度或相對濕度，DNA螺旋結(jié)構(gòu)的上述特征都會(huì)發(fā)生變化。圖1-10不同類型的DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)三、DNA的高級(jí)結(jié)構(gòu)所有生物的基因組DNA的長度通常比含有DNA的細(xì)胞直徑大得多。因此，DNA在形成雙螺旋結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，必須進(jìn)一步折疊成超級(jí)螺旋結(jié)構(gòu)，并且在蛋白質(zhì)的參與下，再進(jìn)行精密的包裝，這樣，DNA才能存在于小小的細(xì)胞，甚至細(xì)胞核中。（二）原核生物DNA的高級(jí)結(jié)構(gòu)圖1-11環(huán)狀DNA結(jié)構(gòu)示意圖（二）真核生物細(xì)胞中DNA的組裝在真核細(xì)胞內(nèi)，由于DNA分子較原核細(xì)胞大得多，所以它們壓縮得更為致密。真核細(xì)胞的DNA與蛋白質(zhì)結(jié)合，以染色質(zhì)（chromatin）或染色體（chromosome）的形式存在于細(xì)胞核內(nèi)。它們的基本結(jié)構(gòu)單位都是核小體（nucleosome）。四、線粒體DNA在真核細(xì)胞中，DNA除了存在于細(xì)胞核內(nèi)，還有少量的DNA位于細(xì)胞的線粒體（mitochondrion）中，稱為線粒體DNA（mitochondrialDNA,mtDNA）。mtDNA與細(xì)菌的DNA相似，也是超螺旋雙鏈環(huán)狀分子，裸露而不與組蛋白結(jié)合，分散在線粒體基質(zhì)的不同區(qū)域。第三節(jié)RNA的結(jié)構(gòu)與功能RNA的種類、分布、功能核蛋白體RNA信使RNA轉(zhuǎn)運(yùn)RNA核內(nèi)不均一RNA核內(nèi)小RNA胞漿小RNA細(xì)胞核和胞液線粒體功能rRNAmRNAmtrRNAtRNAmtmRNAmttRNAHnRNASnRNASnoRNAscRNA/7SL-RNA核蛋白體組分蛋白質(zhì)合成模板轉(zhuǎn)運(yùn)氨基酸成熟mRNA的前體參與hnRNA的剪接、轉(zhuǎn)運(yùn)rRNA的加工、修飾蛋白質(zhì)內(nèi)質(zhì)網(wǎng)定位合成的信號(hào)識(shí)別體的組分核仁小RNA核蛋白體RNA信使RNA轉(zhuǎn)運(yùn)RNA核內(nèi)不均一RNA核內(nèi)小RNA胞漿小RNA細(xì)胞核和胞液線粒體功能rRNAmRNAmtrRNAtRNAmtmRNAmttRNAHnRNASnRNASnoRNAscRNA/7SL-RNA核蛋白體組分蛋白質(zhì)合成模板轉(zhuǎn)運(yùn)氨基酸成熟mRNA的前體參與hnRNA的剪接、轉(zhuǎn)運(yùn)rRNA的加工、修飾蛋白質(zhì)內(nèi)質(zhì)網(wǎng)定位合成的信號(hào)識(shí)別體的組分核仁小RNARNA與DNA的比較RNADNA堿基A、G、C、UA、G、C、T戊糖β-D-核糖β-D-2脫氧核糖堿基含量A與U的含量不一定相同；G與C的含量也不一定相同A=TG=C堿基互補(bǔ)配對U與A，G與CA與T，G與C分子大小不等，從幾十至數(shù)千個(gè)核苷酸因物種不同而異，但較RNA大得多結(jié)構(gòu)單鏈，局部互補(bǔ)配對形成雙螺旋雙鏈，形成雙螺旋結(jié)構(gòu)功能多樣，涉及遺傳信息表達(dá)的各個(gè)方面攜帶遺傳信息一、信使RNAmRNA特點(diǎn)：有帽子結(jié)構(gòu)和尾巴；有遺傳密碼；壽命最短；mRNA功能：蛋白質(zhì)合成的模板真核生物mRNA的結(jié)構(gòu)特征①5'-端有一個(gè)特殊結(jié)構(gòu)：7mG-5'ppp5'-Nm-3'-P，稱為帽子結(jié)構(gòu)。②3'-端有一段長約20~250個(gè)核苷酸的多聚腺苷酸（polyA），稱為多聚A尾巴（polyAtail）③mRNA分子上的每三個(gè)核苷酸為一組，構(gòu)成遺傳密碼（geneticcode），可以決定多肽鏈上某一個(gè)氨基酸，又稱為三聯(lián)體密碼（tripletcode）。④壽命最短。帽子結(jié)構(gòu)二、tRNA轉(zhuǎn)運(yùn)RNA約占細(xì)胞中RNA總量的10%-15%，是分子量最小的一類核酸，由74~95個(gè)核苷酸構(gòu)成。tRNA的功能是轉(zhuǎn)運(yùn)氨基酸，按照mRNA上的遺傳密碼的順序?qū)⑻囟ǖ陌被徇\(yùn)到核糖體進(jìn)行蛋白質(zhì)的合成。二、轉(zhuǎn)運(yùn)RNA的結(jié)構(gòu)與功能*tRNA的一級(jí)結(jié)構(gòu)特點(diǎn):

含10~20%稀有堿基，如DHU3′末端為—CCA-OH5′末端大多數(shù)為G

具有T

C有反密碼子tRNA的功能：蛋白質(zhì)合成原料的轉(zhuǎn)運(yùn)工具N,N二甲基鳥嘌呤N6-異戊烯腺嘌呤雙氫尿嘧啶4-巰尿嘧啶稀有堿基圖1-15tRNA的空間結(jié)構(gòu)示意圖*tRNA的二級(jí)結(jié)構(gòu)——三葉草形氨基酸臂

DHU環(huán)反密碼環(huán)額外環(huán)

TΨC環(huán)氨基酸臂額外環(huán)*tRNA的三級(jí)結(jié)構(gòu)——倒L形*tRNA的功能活化、搬運(yùn)氨基酸到核糖體，參與蛋白質(zhì)的翻譯。三、核糖體RNA核糖體RNA（rRNA）是細(xì)胞內(nèi)含量最多的RNA，約占RNA總量的75%~80%。rRNA與蛋白質(zhì)共同構(gòu)成核糖體或稱為核蛋白體（ribosome），是細(xì)胞內(nèi)蛋白質(zhì)生物合成的場所。原核生物與真核生物的核糖體均由大亞基和小亞基構(gòu)成。表1-5原核及真核生物核糖體的組成核糖體亞單位rRNA蛋白質(zhì)原核生物(70S)小亞基(30S)大亞基(50S)16S

rRNA5SrRNA23SrRNA21種31種真核生物(80S)小亞基(40S)大亞基(60S)18SrRNA5.8SrRNA5SrRNA28SrRNA33種49種rRNA的結(jié)構(gòu)特征rRNA分子內(nèi)部局部堿基互補(bǔ)，形成許多“莖－環(huán)”結(jié)構(gòu)，為核糖體蛋白的結(jié)合與組裝提供了結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)。*rRNA的種類（根據(jù)沉降系數(shù)）真核生物5SrRNA28SrRNA5.8SrRNA18SrRNA原核生物5SrRNA23SrRNA16SrRNA核蛋白體的組成原核生物（以大腸桿菌為例）真核生物（以小鼠肝為例）小亞基30S40SrRNA16S1542個(gè)核苷酸18S1874個(gè)核苷酸蛋白質(zhì)21種占總重量的40%33種占總重量的50%大亞基50S60SrRNA23S5S2940個(gè)核苷酸120個(gè)核苷酸28S5.85S5S4718個(gè)核苷酸160個(gè)核苷酸120個(gè)核苷酸蛋白質(zhì)31種占總重量的30%49種占總重量的35%第四節(jié)核酸的理化性質(zhì)一、核酸的一般性質(zhì)核酸溶液的黏度比較大，核酸粘度降低或消失，即意味著變性或降解。DNA分子的長度與直徑之比達(dá)到107，極易在機(jī)械力的作用下發(fā)生斷裂。核酸的沉降特性。二、核酸的紫外吸收嘌呤和嘧啶堿基具有共軛雙鍵，這使核苷、核苷酸及核酸可以吸收紫外光，最大吸收峰位于波長260nm附近，因此經(jīng)常用A260（在260nm處的吸光度）或OD260（260nm處的光密度值）表示核酸的濃度。利用核酸的紫外吸收特性，可以用紫外分光光度法對DNA和RNA進(jìn)行定性和定量分析。三、核酸的變性與復(fù)性（一）變性（denaturation）核酸的變性是指核酸的互補(bǔ)配對堿基之間的氫鍵斷裂，而構(gòu)成磷酸-戊糖骨架的3',5'-磷酸二酯鍵并未發(fā)生變化。溫度升高，溶液的鹽濃度降低，或者溶液的酸堿度改變，都可以使核酸發(fā)生變性。實(shí)驗(yàn)室中最常用的使DNA分子變性的方法之一是加熱。定義：在某些理化因素作用下，DNA雙鏈解開成兩條單鏈的過程。方法：過量酸，堿，加熱，變性試劑如尿素、酰胺以及某些有機(jī)溶劑如乙醇、丙酮等。變性后其它理化性質(zhì)變化：OD260增高 粘度下降比旋度下降 浮力密度升高酸堿滴定曲線改變 生物活性喪失DNA的增色效應(yīng)（hyperchromiceffect）DNA變性時(shí)，A260隨之增高的現(xiàn)象DNA的解鏈曲線在加熱DNA的過程中，以溫度為橫坐標(biāo)，測得的A260為縱坐標(biāo)作圖，所得到的曲線DNA的融解溫度（meltingtemperature）DNA的變性作用發(fā)生在一個(gè)相當(dāng)窄的溫度范圍內(nèi)，通常將A260達(dá)到最大值的一半時(shí)的溫度稱為DNA的融解溫度（meltingtemperature），以Tm表示。

Tm值計(jì)算公式為：

Tm＝69.3+41(G+C)%，少于20個(gè)堿基的寡核苷酸的Tm＝4(G+C)+2(A+T)圖1-17DNA的解鏈曲線（二）復(fù)性與雜交變性DNA在適當(dāng)條件下，兩條互補(bǔ)的單鏈重新締合，恢復(fù)天然的雙螺旋結(jié)構(gòu)，這個(gè)過程稱為復(fù)性（renaturation）將不同來源的DNA分子放在同一溶液里，經(jīng)熱變性后緩慢冷卻，使其復(fù)性。若這些變性的DNA單鏈之間在某些區(qū)域有堿基互補(bǔ)的序列，則復(fù)性時(shí)，它們之間會(huì)形成雙鏈，該過程稱為核酸分子雜交（hybridization）

圖1-18核酸分子雜交原理示意圖A.不同來源的DNA分子（分別用粗線和細(xì)線表示）在加熱變性后的復(fù)性過程中可以形成雜化雙鏈

B.經(jīng)標(biāo)記的寡核苷酸（）與變性后的單鏈DNA互補(bǔ)結(jié)合DNA變性的本質(zhì)是雙鏈間氫鍵的斷裂例：變性引起紫外吸收值的改變DNA的紫外吸收光譜增色效應(yīng)：DNA變性時(shí)其溶液OD260增高的現(xiàn)象。目錄熱變性解鏈曲線：如果在連續(xù)加熱DNA的過程中以溫度對A260（absorbance，A，A260代表溶液在260nm處的吸光率）值作圖，所得的曲線稱為解鏈曲線。目錄

Tm：變性是在一個(gè)相當(dāng)窄的溫度范圍內(nèi)完成，在這一范圍內(nèi)，紫外光吸收值達(dá)到最大值的50%時(shí)的溫度稱為DNA的解鏈溫度，又稱融解溫度(meltingtemperature,Tm)。其大小與G+C含量成正比。目錄三、DNA的復(fù)性與分子雜交

DNA復(fù)性(renaturation)的定義在適當(dāng)條件下，變性DNA的兩條互補(bǔ)鏈可恢復(fù)天然的雙螺旋構(gòu)象，這一現(xiàn)象稱為復(fù)性。減色效應(yīng)DNA復(fù)性時(shí)，其溶液OD260降低。熱變性的DNA經(jīng)緩慢冷卻后即可復(fù)性，這一過程稱為退火(annealing)。目錄在DNA變性后的復(fù)性過程中，如果將不同種類的DNA單鏈分子或RNA分子放在同一溶液中，只要兩種單鏈分子之間存在著一定程度的堿基配對關(guān)系，在適宜的條件（溫度及離子強(qiáng)度）下，就可以在不同的分子間形成雜化雙鏈(heteroduplex)。這種雜化雙鏈可以在不同的DNA與DNA之間形成，也可以在DNA和RNA分子間或者RNA與RNA分子間形成。這種現(xiàn)象稱為核酸分子雜交。核酸分子雜交(hybridization)第五節(jié)核酸的催化性質(zhì)一、核酶概念：核酶（ribozyme）是指一類具有催化作用的RNA。種類：（1）內(nèi)含子的自我剪接型（2）異體催化的剪切型（3）自體催化的剪切型（4）催化肽鍵的形成圖1-19錘頭核酶二級(jí)結(jié)構(gòu)示意圖N表示任意堿基，N'表示與其互補(bǔ)的堿基，X表示除G以外的任何堿基，A、G、C、U表示一致性序列圖1-20人工設(shè)計(jì)的核酶可能作用的方式箭頭表示剪切位點(diǎn)，粗線代表人工合成的RNA片段，細(xì)線代表欲破壞的目的核酸分子二、脫氧核酶概念：具有特定生物催化功能的DNA分子稱為脫氧核酶(deoxyribozyme)或酶性DNA（DNAenzyme，DNAzyme)種類：（1）剪切RNA分子（2）剪切DNA分子（3）催化核酸分子磷酸化（4）連接DNA分子（5）催化卟啉與金屬離子結(jié)合核酶與脫氧核酶的研究意義對研究生命起源和進(jìn)化具有重大意義拓展了酶學(xué)的研究范圍科研以及醫(yī)療應(yīng)用第六節(jié)

基因組學(xué)與人類基因組計(jì)劃基因（gene）是指位于染色體的特定位置、編碼特異的蛋白質(zhì)或RNA的一段核酸序列（通常是DNA序列），是遺傳物質(zhì)的結(jié)構(gòu)和功能單位?；蚪M(genome)代表了一個(gè)生物細(xì)胞內(nèi)的全部基因和染色體組成?；蚪M學(xué)(Genomics)，指對所有基因進(jìn)行基因組作圖(包括遺傳圖譜、物理圖譜、轉(zhuǎn)錄圖譜)，核苷酸序列分析，基因定位和基因功能分析的一門科學(xué)?；蚪M學(xué)包括兩方面的內(nèi)容：以全基因組測序?yàn)槟繕?biāo)的結(jié)構(gòu)基因組學(xué)(structuralgenomics)和以基因功能鑒定為目標(biāo)的功能基因組學(xué)(functionalgenomics)。人類基因組計(jì)劃的出現(xiàn)20世紀(jì)70年代，Sanger等開始病毒全基因組測序1984年，完成了噬菌體фX174(5386bp)、人線粒體基因組(16kb)等的全測序1984年，美國Utah州，能源部召開的會(huì)議上討論了測定整個(gè)基因組DNA的意義與前景1985年，美國能源部的‘HGP’草案形成1986年，Dul